时间同步装置的工作原理详解

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-3变电站时间同步装置基本组成1）接收单元主时钟和从时钟的接收单元以接收的无线或有线时间基准信号作为外部时间基准。在授时阶段，时间同步信号应不出错，时间信息应无错码，脉冲码应不多发或少发。图6-4多时钟源选择流程示意图参与多源选择逻辑判断的时钟源信号应为有效信号，依据时间源提供的状态标志对其状态进行有效性判断。7）闰秒处理功能装置显示时间应与内部时间一致。

1．基本组成

时间同步装置主要由时钟接收单元、时钟单元和输出单元组成，如图6-3 所示。

图6-3　变电站时间同步装置基本组成

1）接收单元

主时钟和从时钟的接收单元以接收的无线或有线时间基准信号作为外部时间基准。

主时钟的接收单元由天线、馈线、低噪声放大器（可选）、防雷保护器和接收器等组成。主时钟的接收单元能同时接收至少两种外部时间基准信号，其中一种应为无线时间基准信号，这些时间基准信号互为热后备。

从时钟的接收单元由输入接口和时间编码（如 IRIG-B 码）的解码器组成。从时钟的接收单元能同时接收两路有线时间基准信号（主要为 IRIG-B 码信号），这些时间基准信号互为热后备。

2）时钟单元

时钟单元接收无线时间基准信号（如 BDS、GPS）、有线时间基准信号及热备时间信号，同时通过技术手段对输入信号的有效性以及各个时源信号之间的偏差对时源进行选择判断，选择出最为可靠的时源作为同步时源同步本地时间。当失去所有外部的时源信号后，时钟单元进入守时状态，即本地时钟仍能保持一定的时间准确度，并输出时间同步信号和时间信息。当外部时间基准信号恢复后，在满足多源判决机制的条件下，时钟单元自动结束守时保持状态，并被牵引入跟踪锁定状态，且在牵引过程中，采用逐渐逼近方式调整，从而避免发生大的时间跳变。在授时阶段，时间同步信号应不出错，时间信息应无错码，脉冲码应不多发或少发。时钟单元的授时依靠内部晶振来完成，需要根据时间准确度的要求，选用温度补偿石英晶体振荡器、恒温控制晶体振荡器或原子频标等。

3）输出单元

输出单元用于将主时钟装置同步后的时间信号通过不同的模块转换为不同类型的时间输出信号，电力应用的输出信号主要分为：IRIG-B 码信号、脉冲信号、串口报文信号、网络报文信号等。

2．主要配置

主时钟主要配置包括卫星接收模块（主要为 GPS 模块和 BD 模块）、晶振模块（多为恒温晶振）、双电源模块、外接天线及防雷保护器、CPU 板卡、卫星信号输入板卡、输出信号板卡等。

从时钟主要配置晶振模块（多为恒温晶振）、双电源模块、CPU 板卡、有线信号输入板卡、输出信号板卡等。

3．主要功能及性能

时间同步装置的主要功能和性能如下：

1）输出信号类型

时钟装置应可输出脉冲信号、IRIG-B 码、串行口时间报文和网络时间报文等，秒脉冲时间准确度应优于 1 μs；IRIG-B 码时间准确度应优于 1 μs；串行口时间报文时间准确度应优于10 ms；网络时间报文时间准确度应优于 10 ms。

2）守时功能

在失去外部时间基准信号时具备守时功能，守时性能优于 1 μs/h（12 h 内）。

3）日志功能

具有本地日志保存功能，且存储不少于200条，能够对时间源日期跳变进行记录。

4）主时钟多时源选择功能

主时钟多源选择旨在根据外部独立时源的信号状态及钟差从外部独立时源中选择出最为准确可靠的时钟源，参与判断的典型时源包括本地时钟、北斗时源、GPS 时源、地面有线、热备信号。多时钟源选择流程示意图如图6-4 所示。

图6-4　多时钟源选择流程示意图

参与多源选择逻辑判断的时钟源信号应为有效信号，依据时间源提供的状态标志对其状态进行有效性判断。非有效的逻辑都置为无效，不允许存在不定态。各个时源自身状态判断为正常的，才可参与到下一个步骤的运算。主时钟外部独立时间源信号优先级应可设，默认优先级为：BDS＞GPS＞地面有线。

主时钟开机初始化及守时恢复多源选择不考虑本地时钟，仅两两比较外部时源之间的时钟差，时钟差测量表示范围应覆盖年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒、纳秒，具体选择逻辑如表 6-2 所示。

表6-2　主时钟开机初始化及守时恢复多源选择逻辑表

续表

注：连续进行不少于 20 min 的有效性判断内，满足表中其他条件时，按照所满足条件的逻辑选择出基准时源。

主时钟运行状态的多源选择逻辑应考虑本地时钟，两两比较各个时源之间的时钟差，时钟差测量表示范围应覆盖年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒、纳秒，具体选择逻辑如表 6-3 所示。

表6-3　主时钟运行状态的多源选择逻辑表

注1：本地时源计入时源总数。
注2：阈值区间为±5 μs，即两两间钟差的差值都（与关系）小于±5 μs的时源，则认为这些时源在一个区间内。
注3：选择热备信号为基准信号时，本地时钟输出时间信号的时间质量码应在热备信号的时间源质量码基础上增加 2。

5）从时钟时源选择功能

从时钟外部输入 IRIG-B 码信号主时钟信号优先级高于备时钟信号，具体时源选择逻辑如表 6-4 所示。

表6-4　从时钟时源选择逻辑表

6）时源切换功能

依据时间源提供的状态标志对其状态进行判断，若在正常工作阶段或从守时恢复锁定或时源切换时，不应采用瞬间跳变的方式跟踪，而应逐渐逼近要调整的值，输出调整过程应均匀平滑，滑动步进 0.2 μs/s（切换后正常跟踪需要的微调量可小于该值），调整过程中相应的时间质量位应同步逐级收敛。而在初始化阶段，因在锁定信号前禁止时间信号输出，可快速跟踪选定的时源后输出时间信号。

7）闰秒处理功能

装置显示时间应与内部时间一致。当闰秒发生时，装置应正常响应闰秒，且不应发生时间跳变等异常行为，闰秒预告位应在闰秒来临前 59 s 置 1，在闰秒到来后的 00 s置 0，闰秒标志位置0表示正闰秒，置1表示负闰秒。闰秒处理方式如下：

正闰秒处理方式：┄→57 s→58 s→59 s→60 s→00 s→01 s→02 s→┄；

负闰秒处理方式：┄→57 s→58 s→00 s→01 s→02 s→┄；

闰秒处理应在北京时间1月1日7时59分、7月1日7时59分两个时间内完成调整。

8）对时状态自检功能

时钟装置具备对时状态自检功能，对输入的 BD 时源信号、GPS 时源信号、地面有线信号、热备时源信号、GPS 天线状态、BD 天线状态、卫星接收模块、时间跳变侦测、晶振驯服状态、初始化状态、电源模块状态、时间源选择状态等进行自检，并将自检信息通过 MMS报文上送给监测单元。

9）监测功能